Stworzenia oddychające płucami wydają się nie mieć szans w konkurencji z zaopatrzonymi w skrzela rybami czy kałamarnicami. Dobrze to widać na naszym przykładzie. Nurkując, musimy wstrzymać oddech. Większość z nas po zaledwie 2-3 minutach musi jednak wynurzyć się z powrotem, by wypuścić dwutlenek węgla i nabrać nową porcję tlenu. Nawet wyczyny rekordzistów  robią wrażenie tylko na innych ludziach. Najdłuższy czas, jaki ktokolwiek wytrzymał na bezdechu, to 11 minut i 35 sekund w przypadku mężczyzn oraz 9 minut i 2 sekundy wśród kobiet. A w czasie bicia rekordu leżeli oni nieruchomo pod wodą.

Tymczasem prawdziwy mieszkaniec morskiego świata jest cały czas w ruchu: pływa w poszukiwaniu pożywienia, ucieka przed drapieżnikiem. Zużycie tlenu wówczas rośnie, a czas spędzony na jednym wdechu dramatycznie się kurczy. Mimo to morskie ssaki i ptaki potrafią spędzić pod wodą nawet ponad godzinę. I wcale nie zawdzięczają tego rozrośniętym płucom, w których mogłyby magazynować wielkie zapasy powietrza. Sekret ich umiejętności wstrzymywania oddechu na dziesiątki minut tkwi w czym innym.

Najdłużej pod wodą na jednym wdechu:

  • pingwin cesarski - ok. 20 minut
  • foka Weddella - ok. 80 minut
  • kaszalot - ok. 90 minut
  • słoń morski - do 120 minut
  • wal Cuviera - do 137 minut

Tlen jest magazynowany w organizmie przez dwa podobne do siebie związki chemiczne. Jeden z nich to obecna w czerwonych ciałkach krwi hemoglobina. Drugi to mioglobina, znajdująca się w mięśniach. U ludzi w płucach przechowywanych jest około 36 proc. całego tlenu zawartego w organizmie, a 51 proc. krąży we krwi. U foki Weddella proporcje te wyglądają zupełnie inaczej - tylko 5 proc. tlenu mają w płucach, a aż o 70 proc. we krwi!

Jest to możliwe dzięki temu, że wiele ssaków i ptaków morskich ma po prostu więcej krwi w przeliczeniu na kilogram ciała niż człowiek. Ponadto ich organizmy zawierają więcej wspomnianych wyżej związków chemicznych magazynujących tlen. U pingwina cesarskiego udało się to policzyć - ma on o 25 proc. więcej hemoglobiny niż człowiek, a mioglobiny od 16 do 20 razy więcej!

„W pewnym sensie stworzenia te mają wewnętrzną butlę z tlenem” - żartuje Daniel Costa, biolog morza z University of California w Santa Cruz. Ale to jeszcze nie koniec trików, które zabezpieczają morskie ssaki i ptaki przed uduszeniem się w trakcie aktywnego i długiego nurkowania. One potrafią kontrolować, ile tlenu zużyją konkretne części ich ciała.

Zakwasy lub zastrzyk

W 2011 roku zespół Cassondry Williams z University of California w San Diego ogłosił wyniki badań pingwinów cesarskich, z których wynikało, że ptaki te podczas nurkowania dysponują tlenem na dwa sposoby. W pierwszym całkowicie odcinają dopływ krwi do mięśni. Muszą wtedy polegać wyłącznie na własnych zasobach tlenu, zmagazynowanych w mioglobinie. Kiedy zaś te się skończą, mięśnie przechodzą na oddychanie beztlenowe (tak jak u ludzi podczas długotrwałego wysiłku). Produktem ubocznym tego procesu jest kwas mlekowy, w dużych ilościach toksyczny. Po nurkowaniu, które zaowocuje silnym „zakwaszeniem” mięśni, pingwiny muszą długo odpoczywać i dochodzić do siebie.

 

Dlatego w sytuacji, gdy potrzebują wiele razy szybko zanurzyć się w wodzie, np. podczas pogoni za ławicą ryb, ptaki te przechodzą na drugi sposób gospodarowania tlenem. Wówczas ich układ krążenia od razu przekierowuje krew tak, by dostarczyła jak najwięcej tlenu do mięśni. Taki tlenowy zastrzyk tuż przed nurkowaniem zapobiega „zakwasom”, ale też zmusza do szybszego wynurzenia się spod wody, bo życiodajnego gazu zaczyna brakować innym narządom.

Jessica Meir, która obecnie jest profesorem Harvard Medical School i jednocześnie świeżo wybraną przez NASA kandydatką na astronautkę, odkryła kilka lat temu, że pingwiny cesarskie podczas nurkowania zwalniają akcję serca. Potrafi ona u nich spaść z blisko 70 do kilkunastu, a czasem nawet do trzech uderzeń na minutę! Dla porównania u człowieka serce bije normalnie w tempie 60-100 razy na minutę, a spadek do 20-30 uderzeń uważany jest za niebezpieczny dla zdrowia. Pingwiny tymczasem wychodzą z tego bez szwanku. Wolne bicie serca oznacza ślimacze tempo krążenia krwi po organizmie. Dzięki temu zasoby tlenu związanego z hemoglobiną nie zużywają się tak szybko i zwierzę może dłużej pozostać pod wodą.

Jak nurkują pingwiny?

Potrafią spędzić pod wodą ponad 20 minut na jednym wdechu. Nie jest to łatwa sztuka, dlatego pingwiny cesarskie stosują dwie odmienne strategie gospodarowania tlenem. W zależności od tego, ile czasu zajmuje im nurkowanie, decydują, do których narządów skierują więcej natlenionej krwi.

  • Dotlenienie serca i mózgu

Pierwsza strategia przydaje się podczas długiego,* głębokiego nurkowania. Dopływ krwi (i tlenu) do mięśni jest mocno ograniczany, wskutek czego przechodzą one na metabolizm beztlenowy. Po takim nurkowaniu pingwin musi długo odpoczywać.

  • Dotlenienie mięśni

Gdy np. ptak atakuje ławicę smakowitych ryb, czyli gdy zanurzenie się i wynurzenie następuje szybko, układ krążenia zmniejsza ukrwienie narządów wewnętrznych. Mięśnie mają więcej tlenu, a zatem więcej energii do pracy, ale nurkowanie nie może trwać zbyt długo.

Doładowanie dla mózgu

Jessica Meir odkryła również, że słonie morskie - wodne ssaki z rodziny fokowatych - zachowywały aktywność także wtedy, gdy zapasy tlenu w ich organizmach spadły niemal do zera. U ludzi doprowadziłoby to do niechybnej śmierci - nasz mózg nie jest w stanie funkcjonować w warunkach takiego niedotlenienia. Jak radzą sobie słonie morskie? Na trop zjawiska, które ma z tym związek, natrafił Lars Folkow z Uniwersytetu Tromso w Norwegii. Badał on co prawda innego przedstawiciela fokowatych - kapturnika - ale wnioski mogą dotyczyć całej grupy tych ssaków morskich. Odkrył, że komórki nerwowe z mózgu foki kapturowej funkcjonowały przy znacznie niższym poziomie tlenu niż neurony dorosłych myszy.

Przypuszczalnie sekret tkwi w jeszcze jednej cząsteczce, która tak jak hemoglobina i mioglobina ma zdolność wiązania się z tlenem - neuroglobinie. Została odkryta zaledwie w 2000 r. i naukowcy nadal nie są pewni, jak działa. Prawdopodobnie pomaga przekazywać tlen do komórek układu nerwowego. Wiadomo, że u fok kapturowych neuroglobina znajduje się w innych częściach mózgu niż u myszy czy szczurów. Być może jest podręcznym magazynem tlenu dla neuronów - ale to nadal tylko niepotwierdzona hipoteza czekająca na zbadanie.

 

Odporne na dekompresję?

U waleni podobnie jak u fok zdecydowana większość tlenu jest przechowywana w mięśniach i we krwi. Tym bardziej że podczas nurkowania na duże głębokości ich płuca dosłownie się zapadają. Im bowiem głębiej, tym bardziej wzrasta ciśnienie. Nacisk 10 metrów wody odpowiada ciśnieniu jednej atmosfery, czyli takiemu, jakie panuje na powierzchni Ziemi. A kaszaloty potrafią nurkować poniżej tysiąca metrów. To zaś oznacza, że ciśnienie przekracza tam wartość ponad stu atmosfer. Ciało człowieka zostałoby w takich warunkach po prostu zgniecione.

Wieloryby chronią się przed tym - paradoksalnie - za pomocą elastycznej klatki piersiowej. Pod wpływem wysokiego ciśnienia ich żebra nie są miażdżone, lecz zapadają się w głąb ciała. Podobnie zachowują się ukryte w klatce piersiowej płuca. Resztki powietrza, które znajdują się w miękkich pęcherzykach płucnych, przepychane są do sztywnych oskrzelików. A ponieważ wymiana gazowa odbywa się właśnie w pęcherzykach, krew waleni podczas głębokiego nurkowania w ogóle nie może pobierać tlenu z płuc.

Przez wiele lat uważano, że to zapobiega kolejnemu niebezpieczeństwu, na jakie narażony jest każdy głębokowodny nurek obdarzony płucami. Otóż pod wpływem wysokiego ciśnienia zwiększa się ilość gazów rozpuszczonych we krwi i innych tkankach ciała. Póki jest się głęboko pod wodą, nie ma to większego znaczenia. Problem pojawia się podczas wynurzania. Ciśnienie wówczas spada, a rozpuszczalność gazów zmniejsza się. Następuje coś w rodzaju „odgazowania” tkanek - tak jak w butelce oranżady, z której zdejmuje się kapsel.

Z tlenem i dwutlenkiem węgla organizm jeszcze sobie jakoś radzi - do ich wychwytywania ma przecież wyspecjalizowane cząsteczki. Pęcherzyki azotu, który jest głównym składnikiem powietrza, nie mają jednak gdzie się podziać: blokują przepływ krwi, uszkadzają stawy, płuca i mózg. Te objawy noszą nazwę choroby dekompresyjnej. By jej zapobiec, płetwonurkowie wynurzają się powoli, pozwalając, by „odgazowanie” postępowało stopniowo i nie doprowadziło do uszkodzeń. Wieloryby natomiast miały w ogóle nie cierpieć na chorobę dekompresyjną. Uważano, że zapadające się podczas nurkowania płuca zapobiegają rozpuszczaniu się azotu we krwi. To z kolei chroniło przed „odgazowaniem” w trakcie wynurzania się.

Dlatego sensacją stało się, gdy w 2004 roku Michael Moore i Greg Early z Woods Hole Oceanographic Institution ogłosili, że wieloryby jednak cierpią na chorobę dekompresyjną. Swoje wnioski uczeni oparli na analizie 16 szkieletów kaszalotów. Dostrzegli na nich fragmenty kości, które obumarły najprawdopodobniej pod wpływem bąbelków azotu, powstałych w czasie gwałtownego wynurzania się. Rozpoczęło to dyskusję, zakończoną opublikowaniem raportu w 2011 roku. Wynika z niego, że u nurkujących waleni tkanki są przesycone azotem i w czasie wynurzania się pojawiają się jego małe bąbelki. W normalnych warunkach są nieszkodliwe i nie dochodzi do rozwoju choroby dekompresyjnej. Jeśli jednak coś przeszkodzi tym morskim ssakom w spokojnym nurkowaniu i wynurzaniu się, mechanizm ten zostaje zakłócony i zaczynają się kłopoty. Niestety, przyczyną tych kłopotów mogą być ludzie - i wtedy badania naukowców nad nurkującymi zwierzętami znajdują praktyczne zastosowanie.

Marynarka przed sądem

Kilka lat temu amerykańska organizacja pozarządowa zwana National Resource Defense Council (NRDC) wytoczyła proces marynarce wojennej USA. Oskarżenie dotyczyło stosowania przez wojskowych sonaru - systemu nawigacji, wykorzystującego silne fale dźwiękowe. Pod wpływem tego podwodnego hałasu wieloryby zachowują się inaczej: zamiast nurkować głęboko i długo, zanurzają się płycej i częściej. Ich płuca nie zapadają się, w pęcherzykach pozostaje sporo powietrza, krew pobiera z nich azot i rozprowadza po ciele zwierzęcia. To zaś zwiększa ryzyko pojawienia się bąbli gazu podczas wynurzania się. Wiele waleni narażonych na kontakt z sonarem zapada więc na ostrą postać choroby dekompresyjnej, nierzadko prowadzącą do śmierci. Tak stało się w 2002 roku, gdy znaleziono 17 martwych waleni (głównie wali dziobogłowych) po tym, jak marynarka użyła sonaru w pobliżu Bahamów.

 

NRDC wystąpiła wówczas do sądu w obronie wielorybów. Reprezentujący organizację prawnik Richard Kendall stwierdził, że w pobliżu sonarów walenie słyszą dźwięk porównywalny z hałasem wytwarzanym przez 2 tys. silników samolotów odrzutowych. Naukowcy, których badania miały wesprzeć oskarżenie, nie byli wtedy jednak przekonani do tej argumentacji. W końcu sąd zdecydował się oddalić oskarżenie z powodów proceduralnych, nie analizując dowodów naukowych.

Głębokość, na jaką nurkują zwierzęta:

  • pingwin cesarski - 500 m
  • foka Weddella - 600 m
  • wal Blainville'a - 1250 m
  • żółw skórzasty - 1500 m
  • słoń morski północny - 1500 m
  • słoń morski południowy - 1620 m
  • kaszalot - 2000 m
  • wal Cuviera - 3000 m

Być może jednak będzie musiał to zrobić, bo NRDC nie daje za wygraną i w tym roku znów chce wytoczyć proces marynarce. Działania organizacji wspiera Pierce Brosnan - znany aktor, odtwórca roli Jamesa Bonda. W krótkim wideo twierdzi on, że amerykańskie manewry wojskowe z użyciem sonaru mogą zabić blisko tysiąc morskich ssaków oraz ogłuszyć tysiące innych. „Moim zdaniem sądy nie są najlepszym miejscem do rozwiązywania takich problemów” - narzeka w rozmowie z „Focusem” badacz wielorybów prof. Peter Tyack z Woods Hole Oceanographic Institution w USA. Być może jest to jednak jedyne wyjście, by ochronić te fascynujące ssaki przed masową zagładą.


DLA GŁODNYCH WIEDZY: